DE602005004902T2 - Artificial protein, method for absolute quantification of proteins and its use - Google Patents
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Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft die Proteomik und insbesondere die absolute Quantifizierung von Proteinen.The The present invention relates to proteomics, and more particularly to absolute quantification of proteins.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Der Bedarf einer absoluten Quantifizierung wird in der Proteomik zunehmend dringlich. Das vielversprechendste Verfahren beruht auf stabiler Isotopverdünnung, das die gleichzeitige Bestimmung von repräsentativen proteolytischen Peptiden und stabilen Isotop markierten Analoga einschließt. Die grundsätzliche Begrenzung, die einer weitreichenden Implementierung dieses Ansatzes entgegensteht, ist die Verfügbarkeit von Standardsignaturpeptiden in exakt bekannten Mengen.Of the The need for absolute quantification is increasing in proteomics urgent. The most promising method is based on more stable Isotope dilution, that the simultaneous determination of representative proteolytic Peptides and stable isotope labeled analogs includes. The basic limitation, which precludes a far-reaching implementation of this approach, is the availability of Standard signature peptides in exactly known amounts.
Die beiden primären Themen in der Proteomik sind die Proteinidentifizierung und der Vergleich von Proteinexpressionsmengen in zwei physiologischen oder pathologischen Zuständen (vergleichende Proteomik). Das langfristige Ziel, in der Lage zu sein, das gesamte Proteom einer Zelle zu definieren, ist immer noch nicht verwirklicht, aber die Charakterisierung von vielen tausend Proteinen in einer einzelnen Analyse ist jetzt möglich.The both primary Topics in proteomics are the protein identification and the Comparison of protein expression levels in two physiological or pathological conditions (comparative proteomics). The long-term goal, able to to define the entire proteome of a cell is still not realized, but the characterization of many thousands of proteins in a single analysis is now possible.
Damit die Proteomik eine Plattformtechnologie wird, die dem sich entwickelnden Feld der Systembiologie dient, gibt es einen erdrückenden Bedarf hinsichtlich der Verbesserung der Quantifizierung (Righetti, Eur J Mass Spectrom 10 (2004), 335-348). Die meisten vergleichenden Proteomikstudien liefern relative Quantifizierung, sie drücken die Änderung in der Menge eines Proteins im Kontext eines zweiten zellulären Zustandes aus (zum Beispiel Dunkley, Mol Cell Proteomics (2004); Hoang, J Biomol Tech 14 (2003), 216-233, Ong, Mol Cell Proteomics (2002), 376-386).In order to the proteomics becomes a platform technology that evolves to the developing one Field of systems biology, there is a crushing Need to improve quantification (Righetti, Eur J Mass Spectrom 10 (2004), 335-348). Most comparative proteomics studies provide relative quantification, they express the change in the amount of one Protein in the context of a second cellular state (for example Dunkley, Mol Cell Proteomics (2004); Hoang, J Biomol Tech 14 (2003), 216-233, Ong, Mol Cell Proteomics (2002), 376-386).
Jedoch muss das ultimative Ziel letztlich sein, die zellulären Konzentrationen von Proteinen absolut zu bestimmen, gleichgültig ob als Molaritäten oder als Anzahl von Molekülen pro Zelle. Die absolute Quantifizierung, die eine der größten Herausforderungen in der Proteomik darstellt, stützt sich auf gut etablierte Grundsätze in der analytischen Chemie hervor, und benötigt entweder externe Standards oder interne Standards (Sechi, Curr Opin Chem Biol 7 (2003), 70-77; Julka, J Proteome Res 3 (2004), 350-363). Die externe Standardisierung wird durch Immundetektion typisiert, gleichgültig ob in Flüssigkeitsphase oder auf positionsadressierbaren Antikörperanordnungen (Arrays) (Walter, Trends Mol Med 8 (2002), 250-253; Lopez, J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci 787 (2003), 19-27). Der zweite Ansatz, der sich auf eine innere Standardisierung bezieht, beruht auf Massenspektrometrie (MS), wobei ein hochselekiver Nachweis von Ionen (oder Ionenfragmentierungen), die charakteristisch sind für den Analyten von Interesse, mit der Verwendung von internen Standards kombiniert wird.however Ultimately, the ultimate goal must be the cellular levels of absolute proteins, whether as molarity or as number of molecules per cell. The absolute quantification, which is one of the biggest challenges in proteomics based on well-established principles in analytical chemistry, and requires either external standards or internal standards (Sechi, Curr Opin Chem Biol 7 (2003), 70-77; Julka, J Proteome Res 3 (2004), 350-363). External standardization is typified by immunodetection, whether in liquid phase or on positionally addressable antibody arrays (Walter, Trends Mol Med 8 (2002), 250-253; Lopez, J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci 787 (2003), 19-27). The second approach, which is based on internal standardization, based on mass spectrometry (MS), whereby a highly selective detection of ions (or ion fragmentation), which are characteristic of the analyte of interest, with the use of internal standards combined.
In den aussagekräftigsten strengsten MS Analysen werden stabile isotope Varianten der Analyte als interne Standards verwendet. Der Schlüssel des zugrundeliegenden Prinzips ist, dass die Bestimmung von relativen Signalintensitäten während einer massenspektrometrischen Analyse in absolute Mengen des Analyten durch Bezugnahme auf einen authentischen Standard, der in bekannten Mengen bereitgestellt wird, umgerechnet werden kann. Die direkte Anmeldung dieses Ansatzes auf intakte Proteine ist unpraktisch, und für gewöhnlich wird das Prinzip des Surrogats angewendet, das bedeutet, indirekt durch Bezugnahme auf ein proteolytisches Peptid, das von dem interessierenden Protein abgeleitet ist, zu quantifizieren.In the most meaningful Most rigorous MS analyzes will be stable isotopic variants of the analytes used as internal standards. The key of the underlying Principle is that the determination of relative signal intensities during a Mass spectrometric analysis in absolute quantities of the analyte Reference to an authentic standard, in known quantities can be converted. The direct registration This approach to intact proteins is impractical, and usually becomes the principle of surrogate applied, that means indirectly through Reference to a proteolytic peptide derived from the subject of interest Protein is derived to quantify.
Analysen, die auf diesen Prinzipien beruhen, wurden als "AQUA" (absolute Quantifizierung) unter Verwendung interner Standards, die de novo durch chemische Verfahren synthetisiert wurden, bezeichnet (Gerber, PNAS 100 (2003), 6940-6945). Jedoch führt dieser Ansatz selbst nicht gut zur absoluten Quantifizierung von großen Zahlen von Proteinen, weil jedes Q-Peptid chemisch synthetisiert und unabhängig quantifiziert werden müsste.analysis, based on these principles were called "AQUA" (absolute Quantification) using internal standards that de novo synthesized by chemical processes (Gerber, PNAS 100 (2003), 6940-6945). However, leads This approach itself is not good for absolute quantification of huge Numbers of proteins because each Q-peptide is chemically synthesized and independent would have to be quantified.
Die
internationale Patentanmeldung PCT/US03/17686, veröffentlicht
als
Die
Die
Die
Somit gibt es immer noch einen existierenden Bedarf, einfache und einfach anzuwendende Verfahren für die absolute Quantifizierung in der Proteomik zu entwickeln.Consequently There is still an existing need, simple and easy method to be used for to develop the absolute quantification in proteomics.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die vorliegende Erfindung ist auf ein künstliches Protein gerichtet, das durch eine Gen Gestaltung de novo erzeugt wird, das Konkatamere aus Q-Peptiden umfasst, die Signaturpeptide sind, die durch irgendeine proteolytische oder chemische Fragmentierung erzeugt sind zur quantitativen Analyse des Proteoms einer Probe, einer Zelle oder eines Organismus, umfassend:
- (a) mindestens zwei aufeinander folgende Peptide, die durch eine Schnittsequenz zum Trennen der Peptide verknüpft sind;
- (b) eine einzelne Markierung auf einem oder mehreren Peptid/en zur Bestimmung der absoluten Menge des Proteins; und
- (c) N-terminale und C-terminale Verlängerungen zum Schutz, zur Reinigung und zur Quantifizierung der Peptide;
- (a) at least two consecutive peptides linked by a cut sequence to separate the peptides;
- (b) a single label on one or more peptide (s) to determine the absolute amount of the protein; and
- (c) N-terminal and C-terminal extensions for protecting, purifying and quantifying the peptides;
Zum Zweck der Erfindung wird das künstliche Protein auch QCAT Protein genannt, und die Peptide, die für das QCAT Protein verwendet werden, werden als Q-Peptide bezeichnet.To the Purpose of the invention is the artificial Protein also called QCAT protein, and the peptides responsible for the QCAT Protein are referred to as Q-peptides.
Die Spaltungssequenz zwischen zwei Q-Peptiden kann eine enzymatische oder eine chemische Spaltungssequenz sein.The Cleavage sequence between two Q-peptides can be an enzymatic or a chemical cleavage sequence.
Die N-terminalen und C-terminalen Verlängerungen schützen die Quantifizierungspeptide vor der Verarbeitung und der Exoproteolyse. Das künstliche Protein schließt Merkmale ein, die eine einfache Reinigung des QCAT Proteins erlauben.The N-terminal and C-terminal extensions protect the Quantification peptides before processing and exoproteolysis. The artificial one Protein closes Features that allow easy purification of the QCAT protein.
Jedes der Q-Peptide repräsentiert ein einzelnes Protein der Probe, der Zelle oder des Organismus, und jedes Peptid befindet sich in einer definierten Stöchiometrie, die typischerweise, aber nicht ausschließlich 1:1 beträgt.Each of the Q peptides represents a single protein of the sample, cell or organism, and each peptide is in a defined stoichiometry which is typically, but not exclusively, 1: 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Sammlung von Q-Peptiden, die das vollständige Proteom eines Organismus abdecken. Diese Sammlung erlaubt eine schnelle Quantifizierung des Proteoms eines solchen Organismus.The The present invention further relates to a collection of Q-peptides, the complete one Cover the proteome of an organism. This collection allows a fast Quantification of the proteome of such an organism.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Vektor, der das QCAT Protein umfasst, und einen Kit umfassend den Vektor und/oder das QCAT Protein.The The present invention also relates to a vector containing the QCAT protein and a kit comprising the vector and / or the QCAT protein.
Darüber hinaus ist die Erfindung auf ein Verfahren zur quantitativen Analyse des Proteoms einer Probe, einer Zelle oder eines Organismus gerichtet, umfassend die Schritte:
- (a) Quantifizieren der absoluten Menge des künstlichen Proteins nach einem der Ansprüche 1–10, das Konkatamere aus Q-Peptiden und N-terminale und C-terminale Verlängerungen zum Schutz, zur Reinigung und zur Quantifizierung oder ein Peptid umfasst, das die einzelne Markierung enthält;
- (b) Erzeugen einer Präparation des zu quantifizierenden Proteins;
- (c) Mischen der Produkte der Schritte (a) und (b);
- (d) vollständiges Schneiden des künstlichen Proteins nach einem der Ansprüche 1–10 und des in Schritt (b) zu quantifizierenden Proteins an der Schnittsequenz;
- (e) Bestimmen der Masse der Peptide und daraus;
- (f) Berechnen der absoluten Menge jedes Proteins,
- (a) quantifying the absolute amount of the artificial protein of any one of claims 1-10 comprising Q-peptide concatamers and N-terminal and C-terminal extensions for protection, purification and quantification, or a peptide encoding the single label contains;
- (b) generating a preparation of the protein to be quantified;
- (c) mixing the products of steps (a) and (b);
- (d) completely cutting the artificial protein of any one of claims 1-10 and the protein to be quantified in step (b) on the cutting sequence;
- (e) determining the mass of the peptides and therefrom;
- (f) calculating the absolute amount of each protein,
Es ist wichtig anzumerken, dass die Proteine nicht gereinigt werden müssen – eine teilweise Reinigung, gefolgt von hochauflösenden Trennungstechnologien wäre genauso akzeptabel.It It is important to note that the proteins are not purified need - a partial Cleaning, followed by high-resolution Separation technologies would be just as acceptable.
Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description the invention
Die Erfinder beschreiben hier das Design, die Expression und die Verwendung von künstlichen Proteinen, die Konkatamere von tryptischen Q-Peptiden für eine Reihe von Proteinen sind, die durch Gen Gestaltung de novo erzeugt werden. Das künstliche Protein, ein Konkatamer aus Q-Peptiden ("QCAT") ist derart gestaltet, dass es sowohl N-terminale als auch C-terminale Verlängerungen einschließt. Die Funktion der Verlängerungen ist, die wahren Q-Peptide zu schützen, eine Reinigungsmarkierung (wie eine His-Markierung) und einen einzelnen Cysteinrest für die Quantifizierung des QCAT einzuführen.The Inventors describe the design, expression and use herein of artificial Proteins, the concatamers of tryptic Q peptides for a series of proteins that are generated by gene shaping de novo. The artificial one Protein, a Q-peptide Conkatamer ("QCAT") is designed to be both N-terminal and C-terminal Renewals includes. The function of the extensions is to protect the true Q peptides, a purification tag (such as a His tag) and a single Cysteine residue for to introduce the quantification of the QCAT.
Das neue Gen wird in einen Expressionsvektor, der zur Expression großer Mengen in der Lage ist, eingebaut und in einem heterologen Expressionssystem, wie E. coli exprimiert. Innerhalb des QCAT Protein, liegt das Q-Peptid in einer definierten Stöchiometrie (typischerweise, aber nicht exklusiv 1:1) vor, sodass der gesamte Satz der konkatamierten Q-Peptide in molaren Begriffen durch Bestimmung des QCAT Proteins quantifiziert werden kann. Darüber hinaus wird das QCAT Protein einfach in nicht markierter oder markierter Form durch das Wachstum des Expressionsstammes in definiertem Medium, das die gewählte Markierung enthält, gebildet.The new gene is transformed into an expression vector that is used to express large quantities capable of being incorporated and expressed in a heterologous expression system, expressed as E. coli. Within the QCAT protein, lies the Q peptide in a defined stoichiometry (typically, but not exclusively 1: 1) before, so the whole Set of concatemated Q peptides in molar terms by determination of the QCAT protein can be quantified. In addition, the QCAT protein simply in unmarked or marked form by growth of the expression strain in a defined medium containing the selected label contains educated.
Die Erfinder haben erfolgreich ein künstliches Gen gestaltet und konstruiert, das eine Ansammlung von Konkatameren aus tryptischen Peptiden (ein QCAT Protein) aus über 20 Proteinen kodiert. Das Protein schließt weiterhin Merkmale für die Quantifizierung und Reinigung ein. Das künstliche Protein wurde in E. coli exprimiert, und die Synthese des korrekten Produkts wurde durch Massenspektrometrie bewiesen. Das QCAT Protein wird einfach mit Trypsin gespalten; es ist einfach zu quantifizieren, und es kann für die absolute Quantifizierung von Proteinen verwendet werden. Diese Strategie macht die akkurate und absolute Quantifizierung von großen Anzahlen von Proteinen in Proteomstudien erreichbar. Darüber hinaus wurde das QCAT durch selektiven Einbau einer Aminosäure, die mit einem stabilen Isotop markiert war oder durch Einbau von 15N Stickstoffatomen an jeder Position des Proteins markiert.The inventors have successfully designed and constructed an artificial gene that encodes a collection of concatamers of tryptic peptides (a QCAT protein) from over 20 proteins. The protein further includes features for quantitation and purification. The artificial protein was expressed in E. coli and the synthesis of the correct product was proved by mass spectrometry. The QCAT Protein is simply cleaved with trypsin; It is easy to quantify and it can be used for the absolute quantification of proteins. This strategy makes it possible to accurately and completely quantify large numbers of proteins in proteomic studies. In addition, QCAT was labeled by selective incorporation of an amino acid labeled with a stable isotope or incorporation of 15 N nitrogen atoms at each position of the protein.
Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein künstliches Protein für die quantitative Analyse des Proteoms einer Probe, einer Zelle oder eines Organismus bereitzustellen, umfassend:
- (a) mindestens zwei aufeinander folgende Peptide, die durch eine Schnittsequenz zum Trennen der Peptide verknüpft sind;
- (b) eine einzelne Markierung auf einem oder mehreren Peptid/en zur Bestimmung der absoluten Menge des Proteins; und
- (c) N-terminale und C-terminale Verlängerungen zum Schutz, zur Reinigung und zur Quantifizierung der Peptide;
- (a) at least two consecutive peptides linked by a cut sequence to separate the peptides;
- (b) a single label on one or more peptide (s) to determine the absolute amount of the protein; and
- (c) N-terminal and C-terminal extensions for protecting, purifying and quantifying the peptides;
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das künstliche Protein 20-60 Peptide, am meisten bevorzugt 60 Peptide. Es ist möglich, vielschichtige Instanzen von spezifischen Peptiden einzuschließen, um die Stöchiometrie zu modifizieren.In a preferred embodiment includes the artificial Protein 20-60 peptides, most preferably 60 peptides. It is possible, multi-layered To include instances of specific peptides to stoichiometry to modify.
In noch einer anderen Ausführungsform wird die Spaltungssequenz durch eine Protease, vorzugsweise durch Trypsin gespalten, und die einzelne Markierung ist ein Cysteinrest.In yet another embodiment is the cleavage sequence by a protease, preferably by Trypsin cleaved, and the single label is a cysteine residue.
Darüber hinaus werden eines oder mehrere Peptide des künstlichen Proteins identisch mindestens einmal, vorzugsweise einmal oder mehrere Male wiederholt, um eine besondere Stöchiometrie zwischen allen Peptidsequenzen zu erreichen.Furthermore become one or more peptides of the artificial protein identical repeated at least once, preferably once or several times, a special stoichiometry between all peptide sequences.
Es ist bevorzugt, eine Affinitätsmarkierung (z. B. eine Histidinmarkierung) für die Reinigung des Proteins einzuschließen. Es ist besonders bevorzugt, die Affinitätsmarkierung in entweder die N-terminale oder die C-terminale Verlängerung des Proteins einzuschließen.It is preferred, an affinity tag (eg, a histidine tag) for purification of the protein include. It is particularly preferred to include the affinity tag in either of the To include N-terminal or C-terminal extension of the protein.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Protein durch ein Isotop markiert, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 13C, 15N, 2H und 18O.In another embodiment, the protein is labeled by an isotope selected from the group consisting of 13 C, 15 N, 2 H and 18 O.
In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst jedes Peptid zwischen ungefähr 3 und 40 Aminosäuren, vorzugsweise ungefähr 15 Aminosäuren.In yet another embodiment each peptide comprises between about 3 and 40 amino acids, preferably approximately 15 amino acids.
Das Protein kann ein Molekulargewicht von ungefähr 10–300 kDa, vorzugsweise ungefähr 150–200 kDa, am meisten bevorzugt ungefähr 150 kDa umfassen, und es wird vorzugsweise in E. coli exprimiert.The Protein may have a molecular weight of about 10-300 kDa, preferably about 150-200 kDa, most preferably about 150 kDa, and it is preferably expressed in E. coli.
Der Ursprung des Proteoms, d. h. der Probe der Zelle oder des Organismus, ist vorzugsweise eine Maus, eine Ratte, ein Affe oder ein Mensch, aber kann von irgendeiner proteinösen Quelle stammen.Of the Origin of the proteome, d. H. the sample of the cell or organism, is preferably a mouse, a rat, a monkey or a human, but can be from any source of protein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellen die Peptide verschiedene konformationelle, metabolische oder Modifizierungszustände des Proteins dar, um alle Proteine zu quantifizieren, die posttranslational von einem solchen Protein abstammen.In a preferred embodiment invention, the peptides provide various conformational, metabolic or modification states of the protein to all To quantify proteins that are posttranslational from one Derived protein.
Darüber hinaus weisen die Petide des künstlichen Proteins vorzugsweise eine definierte Molekulargewichtsverteilung und quantitative Verhältnisse auf. Ein Massenspektrometer kann kalibriert werden, vorzugsweise mit Molekulargewichten, die zu äquidistanten bzw. gleich weit entfernten Massenspektrometriesignalen führen. Vorzugsweise wird eines oder mehrere Peptide zweimal repräsentiert, um unzweideutig ein Referenzmolekulargewicht für die Kalibrierung zu markieren.Furthermore Show the petid of the artificial Proteins preferably a defined molecular weight distribution and quantitative ratios on. A mass spectrometer can be calibrated, preferably with molecular weights that are equidistant or equidistant mass spectrometry signals lead. Preferably For example, if one or more peptides are represented twice, then unambiguously Reference molecular weight for to mark the calibration.
Die Erfindung ist weiterhin auf eine Sammlung von Konkatameren von Q-Peptiden gerichtet, wie in Anspruch 1 definiert ist, die das vollständige Proteom eines Organismus abdeckt. Alle exprimierten Proteine eines Organismus werden als das Proteom eines solchen Organismus definiert. Dies erlaubt die schnelle Quantifizierung des Proteoms eines solchen Organismus.The The invention is further directed to a collection of concatamers of Q-peptides directed as defined in claim 1 comprising the complete proteome of an organism. All expressed proteins of an organism are defined as the proteome of such an organism. This allows the rapid quantification of the proteome of such Organism.
Darüber hinaus ist in die Offenbarung der vorliegenden Erfindung die absolute Quantifizierung der Proteinmengen eines bestimmten Referenzstammes eingeschlossen, die anschließend verwendet werden können, um die Proteinmengen dieses bestimmten Stamms oder ähnlicher Stämme unter variierten experimentellen Bedingungen zu vergleichen.Furthermore is the absolute quantification in the disclosure of the present invention including the protein amounts of a particular reference strain, the following can be used about the protein levels of that particular strain or similar strains under varied experimental conditions.
Die Erfindung ist auch auf einen Vektor gerichtet, der eine Nukleinsäure umfasst, die das künstliche Protein umfasst, und auf ein Kit, welches das künstliche Protein und/oder die Nukleinsäure umfasst, die das künstliche Protein kodiert. Darüber hinaus ist die Erfindung auf ein Verfahren zur quantitativen Analyse des Proteoms eines Organismus gerichtet, die oben im Detail beschrieben ist.The Invention is also directed to a vector comprising a nucleic acid, the artificial protein and a kit containing the artificial protein and / or the nucleic acid that includes the artificial Protein encoded. About that In addition, the invention is directed to a method for quantitative analysis directed to the proteome of an organism, described in detail above is.
Die vorliegende Erfindung wird besser durch die eingeschlossenen Beispiele und Ergebnisse unter Bezugname auf die angehängten Figuren verstanden.The The present invention will be better understood by the examples included and results with reference to the attached figures.
Detaillierte Beschreibung der FigurenDetailed description the figures
Für eine Reihe von Proteinen wurden Peptide von Proteinen ausgewählt (unter Verwendung multipler Kriterien), die als die vielfältigen Proteine in einer löslichen Fraktion von Hühnerskelettmuskel identifiziert wurden, und sie wurden zu einem künstlichen Protein, oder QCAT, zusammengesetzt. Linke Seite: Coomassie blau gefärbte, SDS-PAGE Analyse von löslichen Hühnermuskelproteinen. Mitte: MALDI-TOF Spektrum der tryptischen Spaltung von Gelstücken, die ausgewählten Proteinbanden entsprechen. Das Peptidion, das mit einem ovalen Symbol markiert ist, stellt das Peptid dar, das für den Einbau in das QCAT Protein ausgewählt wurde. Rechte Seite: Masse und Position der angezeigten Signaturpeptide innerhalb des erzeugten QCAT Proteins. Die Details der Peptide sind in Tabelle 1 angegeben.For a series of proteins, peptides of proteins have been selected (under Using multiple criteria), called the multiple proteins in a soluble Fraction of chicken skeletal muscle were identified and they became an artificial protein, or QCAT, composed. Left side: Coomassie blue stained, SDS-PAGE analysis of soluble Chicken muscle proteins. Middle: MALDI-TOF Spectrum of tryptic cleavage of gel pieces, the chosen Correspond to protein bands. The peptide ion with an oval symbol is the peptide that is required for incorporation into the QCAT protein was selected. Right side: Mass and position of the displayed signature peptides within the generated QCAT protein. The details of the peptides are in Table 1.
Die DNA Sequenz des synthetischen Gens, mit den relevanten Klonierungsstellen, ist in der oberen Linie gezeigt, und die davon abgeleitete Aminosäuresequenz ist unten gezeigt. Die grau markierten Bereiche zeigen das Ausmaß der tryptischen Peptide an, wobei die Spenderhühnerproteine, das tryptische Peptidassignment (T1-T25) und die Peptidmasse (in DA) angegeben sind. Eine nicht spaltbare Arg- Pro tryptische Stelle innerhalb der Phosphoglyceratkinase (Kästchen) ist eingeschlossen, um die Nichtspaltbarkeit dieser Stelle zu bestätigen. Die Peptide (weiße Kästchen) kodieren das initiale Methionin, die N-terminale Opfer- bzw. Rettungssequenz (engl.: sacrificial sequence) und Spacersequenzen, und sie sind nicht von den Proteinen von Interesse abgeleitet. Die schwarzen Kästchen stellen die Sequenzen dar, welche den einzigen Cysteinrest für die Quantifizierung und die His6 Markierung für die Reinigung tragen. T1 und T2 sind Rettungssequenzen, die derart gestaltet sind, um den N-Terminus des ersten wirklichen Q-Peptids (T3) zu schützen.The DNA sequence of the synthetic gene, with the relevant cloning sites, is shown in the upper line, and the deduced amino acid sequence is shown below. The gray-labeled areas indicate the extent of the tryptic peptides, indicating the donor chicken proteins, the tryptic peptide assay (T1-T25), and the peptide mass (in DA). A non-cleavable Arg-tryptic site within the phosphoglycerate kinase (box) is included to confirm the non-cleavability of this site. The peptides (white boxes) encode the initial methionine, the N-terminal sacrificial sequence, and spacer sequences, and are not derived from the proteins of interest. The black boxes represent the sequences carrying the single cysteine residue for quantitation and the His 6 label for purification. T1 and T2 are rescue sequences designed to protect the N-terminus of the first true Q-peptide (T3).
Das pEP21a/QCAT Plasmid wurde in E. coli DE3 Zellen transformiert, und nach einer Zeitspanne des exponentiellen Wachstums, wurde die Expression des QCAT mit IPTG induziert. Die Zelllysate aus Zellen vor und nach der Induktion wurden auf einer SDS-PAGE (Bildeinschub) verglichen. Nach Solubilisierung des Pellets und Affinitätschromatographie auf einer NiNTA Säule war das gereinigte QCAT Protein homogen, und es wurde in einer Lösung mit Trypsin gespalten. Die Peptide wurden auf MALDI-TOF Massenspektrometrie analysiert. Die eingeschobene Karte zur tryptischen Spaltung ist grau unterlegt, um die relativen Intensitäten der Signale, die jedem Peptid in dem Massenspektrum entsprechen, anzuzeigen; Peptide, die kleiner sind als 900 Da, die aus den "Rettungs"-Teilen des QCAT stammen, sind weniger einfach in dieser Art von Massenspektrometrieanalyse aufgrund der interferierenden Ionen nachweisbar.The pEP21a / QCAT plasmid was transformed into E. coli DE3 cells, and after a period of exponential growth, expression became of the QCAT with IPTG. The cell lysates from cells before and after induction were compared on an SDS-PAGE (image slide). After solubilization of the pellet and affinity chromatography on a NiNTA column the purified QCAT protein was homogeneous and it was in solution with Split trypsin. The peptides were tested for MALDI-TOF mass spectrometry analyzed. The inserted map for tryptic cleavage is grayed out to the relative intensities of the signals given to each Peptide in the mass spectrum to indicate; Peptides that smaller than 900 Da, which come from the "rescue" parts of the QCAT, are less easy in this type of mass spectrometry analysis due to the detectable interfering ions.
Das QCAT Protein wurde in unmarkierter Form (L: "leicht") (engl.: "light") und in einer Form, die einheitlich mit 15N (H: "schwer") (engl.: "heavy") markiert war, hergestellt. Die H und L QCAT Protein wurden getrennt gereinigt, quantifiziert und in verschiedenen Verhältnissen vor der tryptischen Spaltung und der Messung der Peptidintensitäten durch MALDI-TOF Massenspektrometrie gemischt. Abschnitt a) stellt das Massenspektrum für die Q-Peptide für Adenylatkinase (GFLIDGYPR, 12 Stickstoffatome) dar. In Abschnitt b) sind die gemessenen L:H Verhältnisse relativ zu dem Mischverhältnis, in einer dreifachen Reihe von Experimenten, für die individuelle Punkte gezeigt sind, aufgetragen. In dem unteren Abschnitt sind die Daten für sieben Peptide gesammelt und als Durchschnitt ± SD (n = 18 – 21) ausgedrückt. Die gepunktete Linie definiert die 95% der Sicherheitsgrenzen entsprechenden Linie.The QCAT protein was labeled unlabeled (L: "light") and in a form uniformly labeled with 15 N (H: "heavy"), produced. The H and L QCAT proteins were separately purified, quantitated and mixed in various ratios prior to tryptic cleavage and measurement of peptide intensities by MALDI-TOF mass spectrometry. Section a) represents the mass spectrum for the Q peptides for adenylate kinase (GFLIDGYPR, 12 nitrogen atoms). In section b) the measured L: H ratios are relative to the mixing ratio, in a threefold series of experiments for which individual points are shown , applied. In the lower section are the data for seven peptides collected and expressed as an average ± SD (n = 18-21). The dotted line defines the line corresponding to 95% of the safety limits.
Eine Präparation aus löslichen Proteinen aus Skelettmuskel von Hühnern am Tag 1 und Tag 27 wurde mit [15N] QCAT gemischt, mit Trypsin gespalten und durch MALDI-TOF MS analysiert. Für eine Untergruppe von Proteinen war es möglich, die Intensitäten des endogenen und eines Standardpeptids zu bestimmen, und daraus die absoluten Mengen (in nmol/g Gewebe) jedes Proteins zu berechnen. Drei Tiere wurden zu jedem Zeitpunkt verwendet, die Fehlerbalken sind SEM (n = 3). Die Proteine waren AK: Adenylatkinase, ApoA1: Apolipoprotein A1, LDHB: Lactatdehydrogenase B, Beta Trop: Betatropomyosin, Beta Eno: Betaenolase, GP: Glykogenphosphorylase, ALDO B: Aldolase B, TPI: Triosephosphatisomerase, GAPDH: Glyceraldehyd 3-Phosphatdehydrogenoase, Aktin, API: Aktinpolymerisationsinhibitor, PK: Pyruvatkinase und CK: Kreatinkinase.A preparation of soluble proteins from chicken skeletal muscle on day 1 and day 27 was mixed with [ 15 N] QCAT, cleaved with trypsin and analyzed by MALDI-TOF MS. For a subset of proteins it was possible to determine the intensities of the endogenous and a standard peptide and to calculate therefrom the absolute levels (in nmol / g tissue) of each protein. Three animals were used at each time point, the error bars are SEM (n = 3). The proteins were AK: adenylate kinase, ApoA1: apolipoprotein A1, LDHB: lactate dehydrogenase B, beta trop: betatropomyosin, beta eno: betaenolase, GP: glycogen phosphorylase, ALDO B: aldolase B, TPI: triosephosphate isomerase, GAPDH: glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase, actin, API: actin polymerization inhibitor, PK: pyruvate kinase and CK: creatine kinase.
1. Gestaltung des Gens, welches das Q-Protein Konkatamer kodiert1. Design of the gene containing the Q protein Conkatamer encoded
Eines
der Hauptinteresse der Erfinder liegt in der Proteomdynamik (Prat,
Mol Cell Proteomics 1 (2002), 579-591) und in den Veränderungen
in der Proteinexpression während
der Muskelentwicklung (Doherty, Proteomics 4 (2004), 2082-2093;
Doherty, Proteomics in press (2005)). Ein System, das dramatische
Veränderungen
während
der Entwicklung von unmittelbar nach dem Schlüpfen bis zur erwachsenen Form
zeigt, ist die Proteinexpression des Hühner Pectoralis Skelettmuskel.
Folglich wählten
die Erfinder für
die Demonstration des QCAT Sets zwanzig Hühnerproteine, von denen zuvor
bestimmt wurde, dass sie die Expressionsmenge im sich entwickelnden
Skelettmuskel verändern
(Doherty, Proteomics 4 (2004), 2082-2093). Ein einzelnes tryptisches
Fragment wurde ausgewählt,
um jedes Protein zu repräsentieren
(ein "Q-Peptid"), obwohl ein Peptid,
das reproduzierbar durch irgendeine proteolytische oder chemische
Fragmentierung gebildet wird, verwendet werden könnte, und in diesem Beispiel
beruhte die Q-Peptidselektion
auf theoretischen und experimentellen Kriterien. Das erste Kriterium
war, dass die Q-Peptide keinen Cysteinrest aufweisen sollten, weil
der Cysteinrest für
die Quantifizierung des QCAT verwendet werden könnte, und die Abwesenheit von
Cysteinen sollte komplexe intra- und intermolekulare Disulfidbrückenbildung
in dem exprimierten Protein verhindern. Zweitens sollten die gewählten Proteine
einzigartig innerhalb des Sets von Q-Peptiden sein. Drittens wurden
die Q-Peptide mit Massen zwischen 1000 Da und 2000 Da ausgewählt, was
dem Bereich in MALDI-TOF Massenspektren entspricht, wo die Sensitivität des Nachweises
typischerweise hoch ist und interferierende Signale niedrig sind.
Schließlich
wurde ein Durchführungskriterium
hinzugefügt,
dahingehend dass die Erfinder Peptide auswählten, von denen bereits gezeigt
wurde, dass sie ein starkes Signal in der MALDI-TOF Massenspektrometrie
zeigen; 75% (15 von 20) waren Arg-terminierte tryptische Peptide – die Neigung
von solchen Peptiden, dass sie stärkere Signale in der MALDI-TOF
Massenspektrometrie ergeben, ist gut dokumentiert (Brancia, Electrophoresis
22 (2001), 552-559). Ein letztes, weniger wichtiges Kriterium war,
dass die Q-Peptide mindestens ein Beispiel einer abundanten und
chemisch beständigen
Aminosäure,
wie Leucin oder Valin enthalten sollten, weil dies die metabolische
Markierung mit Aminosäuren
für die
Herstellung von stabil isotop markierten Q-Peptiden erleichtern
würde.
Die Peptide sind in Tabelle 1 zusammengefasst: Tabelle 1: Peptide, die für das QCAT
Protein ausgewählt
wurden.
Nachdem
das Kandidatenset festgelegt war, wurden die Q-Peptide zusammengesetzt,
und ein Gen wurde konstruiert, das die zusammengesetzten Q-Peptide
unter Verwendung von Codons für
die maximale Expression in E. coli kodierte. Am C-Terminus wurde
eine Verlängerung
hinzugefügt,
um einen Cysteinrest und ein His Markierungsreinigungsmotiv bereitzustellen
(das zuletzt genannte wurde in diesem Fall durch den Vektor pET21a
bereitgestellt). Eine zusätzliche
Reihe von Aminosäuren
wurde an den N-Terminus angehängt,
um einen anfänglichen
Methioninrest und ein Rettungspeptid bereitzustellen, die, wenn
sie abgespalten werden, ein tatsächliches
Q-Peptid (
2. Expression des QCAT2. Expression of the QCAT
Das
QCAT Gen wurde mit Restriktionsstellen konstruiert, sodass es in
eine Reihe von Expressionsvektoren (
Die
unmarkierten und 15N-markierten QCAT Proteine
wurden anschließend
in verschiedenen Verhältnissen
gemischt, und mit Trypsin gespalten, bevor die resultierenden begrenzten
Peptide durch MALDI-TOF Massenspektrometrie analysiert wurden. Die
schweren und leichten Varianten der Peptide wurden einfach erkannt
(
Zusammenfassung der Ergebnissesummary of results
Die
Erfinder haben dieses bestimmte QCAT in der Analyse der Proteinexpression
in dem Hühnerskelettmuskel
am 1. und 27. Tag nach dem Schlüpfen
(
Weil die Proteine absolut quantifiziert wurden, waren die Erfinder in der Lage, die Proteine als nmol pro g Nassgewicht des Gewebes auszudrücken. Die Varianz der Dreifachanalysen war gering; die Erfinder wiesen diese Varianz eher einer biologischen als einer analytischen Varianz zu. Die Erfinder hatten kürzlich die Mengen von sieben dieser Proteine durch 2D Gelelektrophorese und Densitometrie gemessen, und die Korrelation zwischen der Quantifizierung unter Verwendung beider Verfahren betrug 0,82 (r2, p > 0,001). Unter Beachtung, dass die beiden Verfahren verschiedene Darstellung des Proteoms messen, wie ladungsvariante Isoformen oder Gesamtproteinkomplement, und dass das densitometrische Verfahren unvermeidlich unpräzise ist, ist die Korrelation gut.Because the proteins were absolutely quantified, the inventors were able to express the proteins as nmol per g wet weight of tissue. The variance of the triplicate analyzes was low; the inventors attributed this variance to a biological rather than an analytical variance. The inventors had recently measured the amounts of seven of these proteins by 2D gel electrophoresis and densitometry, and the correlation between the quantification using both methods was 0.82 (r 2 , p> 0.001). Taking into account that the two methods measure different representation of the proteome, such as charge-variant isoforms or total protein complement, and that the densitometric method is inevitably imprecise, the correlation is good.
Die Erfinder haben die Machbarkeit des QCAT Ansatzes für die Erzeugung eines konkatameren Sets von Q-Peptiden gezeigt. Das QCAT, das entworfen wurde, unter sowohl theoretischer als auch experimenteller Betrachtungen, wurde in hohen Mengen exprimiert, selbst wenn es auf Minimalmedium angezogen wurde, und das Produkt wurde erfolgreich gereinigt. Weil das QCAT ein vollständig künstliches Konstrukt ist, erwarteten die Erfinder nicht, dass es sich zu irgendeiner erkennbaren dreidimensionalen Struktur falten würde, und, wie erwartet, aggregierte das Protein in Einschlusskörpern. Dies ist ein Vorteil, weil die anschließende Reinigung einfacher ist, und sie nur die Resolubilisierung des Pellets in einem stark chaotropen Mittel vor der Affinitätsreinigung benötigt. Darüber hinaus würde der Mangel an einer höheren Ordnungsstruktur des QCAT sicherstellen, dass das QCAT mindestens so schnell gespalten wurde, wie die Zielproteine, die quantifiziert werden sollen.The Inventors have the feasibility of the QCAT approach to production of a concatameric set of Q-peptides. The QCAT that designed under both theoretical and experimental considerations, was expressed in high amounts, even on minimal medium was tightened and the product was successfully purified. Because the QCAT a complete artificial Construct, the inventors did not expect it to be any would fold recognizable three-dimensional structure, and, as expected, aggregated the protein in inclusion bodies. This is an advantage because the subsequent cleaning is easier and they only resolubilize the pellet in a highly chaotropic manner Means before affinity purification needed. About that beyond the lack of a higher one Order structure of the QCAT ensure that the QCAT at least was cleaved as fast as the target proteins that quantified should be.
Verwendung des künstlichen Proteins und der QCAT PeptideUse of the artificial Protein and the QCAT peptides
Es gibt zwei Wege, in denen die Konkatamere verwendet werden. Zunächst werden in dem direkten Q-Peptid Verfahren die Konkatamere als ein interner Standard verwendet. Das stabil isotop markierte Konkatamer kann direkt zu einer Probe oder einer Zellpräparation vor dem proteolytischen Schritt zugegeben werden. Alternativ dazu, kann die Konkatamerquantifizierung, für einige Zellsysteme, ver wendet werden, um eine absolute Quantifizierung eines Referenzstammwachstums unter vorsichtig definierten Bedingungen zu erreichen – der indirekte Q-Peptid Ansatz. Dieser Referenzstamm kann anschließend, in stabil isotop markierter Form, als ein absoluter Quantifizierungsstandard für alle zukünftigen Proteom Quantifizierungsstudien unter Verwendung dieses Organismus, verwendet werden. Sobald ein Referenzstamm akkurat quantifiziert wurde, kann irgendein Peptid verwendet werden, um über ein Protein Auskunft zu geben, anstelle des begrenzten Satzes, der als Q-Peptide verwendet wird, und dies ist eindeutig ein sehr attraktiver Vorschlag. Dies erweitert die Generalität von verschiedenen Proteomstrategien und kretiert eine neue Nische für Markierungsverfahren, wie ICAT (Gygi, J Proteoms Res 1 (2002), 47-54 und ITRAQ (Ross, Molecular and Cellular Proteomics im Druck (2004)) in einer vergleichenden Proteomanalyse eines unbekannten gegenüber einem vollständig quantifizierten Stamm.It There are two ways in which the concatamers are used. First, be in the direct Q-peptide method, the concatamers as an internal Standard used. The stable isotope-labeled concatamer can directly to a sample or cell preparation prior to proteolytic Be added step. Alternatively, the concatamer quantification, for some Cell systems are used to provide absolute quantification a reference strain growth under carefully defined conditions to reach - the indirect Q-peptide Approach. This reference strain can then, in stable isotope-labeled form, as an absolute quantification standard for all future proteome quantification studies using this organism. Once a Reference strain has been accurately quantified, any peptide used to over to provide a protein, instead of the limited sentence, the is used as Q-peptides and this is clearly a very attractive one Suggestion. This extends the generality of various proteomic strategies and cretches a new niche for Labeling method, such as ICAT (Gygi, J Proteoms Res 1 (2002), 47-54 and ITRAQ (Ross, Molecular and Cellular Proteomics in Press (2004)) in a comparative proteome analysis of an unknown versus a Completely quantified strain.
Jedoch bemerken die Erfinder, dass es viele Fälle gibt, wo dieser Ansatz nicht geeignet ist, und wo ein stabiles Isotop markiertes Konkatamer selbst (der direkte Q-Peptid Ansatz) den geeigneten Standard darstellen wird. Dies ist insbesondere in Proteomstudien unter Verwendung von biologischem Material angebracht, das nicht einfach zuvor markiert werden kann, zum Beispiel in tierischen Geweben oder in Biomarkerstudien.however The inventors note that there are many cases where this approach is not suitable, and where a stable isotope labeled concatamer themselves (the direct Q-peptide approach) represent the appropriate standard becomes. This is especially true in proteome studies using attached to biological material that has not been previously marked can be, for example, in animal tissues or in biomarker studies.
Besondere VorteileSpecial advantages
Die Strategie, welche die Erfinder empfehlen, ist der chemischen Synthese jedes einzelnen Q-Peptids, für gewöhnlich in einer stabilen Isotopform, überlegen. Während die chemische Synthese in einmaligen Anwendungen verwendet wurde, ist der Vorgang der Peptidsynthese nicht ausreichend "sauber", um eine gründliche Reinigung des Produkts zu umgehen. Zweitens würde in mehrschichtigen bzw. Multiplex Assays jedes Peptid einzeln vor der Verwendung quantifiziert werden müssen. Schließlich sind chemisch synthetisierte Q-Peptide eine begrenzte Quelle, wohingegen die wiederholte Expression des QCAT Gens einfach ist. Absolute Quantifikation mit hoher Qualität kann ein wirksamer Weg sein, um die Schwierigkeiten zu überwinden, die mit den gegenwärtigen Verfahren für die vergleichende Proteomik assoziiert sind, gleichgültig ob sie auf einer Gelanalyse oder auf Massenspektrometrie beruhen. Eine Reihe von vergleichenden Studien von bestimmten zellulären Systemen, jede durch Vergleich mit einer QCAT quantifizierten Referenz, würde nicht nur einzeln quantifiziert werden, sondern sollte auch ausreichend drastisch sein, dass, wenn die Datensätze wachsen, irgendein paarweiser Vergleich robust und transferierbar zwischen individuellen Labors und stabil über die Zeit wäre.The Strategy that the inventors recommend is chemical synthesis every single Q-peptide, for usually in a stable isotope form, superior. While the chemical synthesis was used in one-time applications, the process of peptide synthesis is not sufficiently "clean" to get a thorough Clean the product. Second, in multilayered or Multiplexed assays quantified each peptide individually before use Need to become. After all For example, chemically synthesized Q-peptides are a limited source the repeated expression of the QCAT gene is easy. Absolute quantification with high quality can be an effective way to overcome the difficulties those with the present Procedure for the comparative proteomics are associated, regardless of whether they are based on gel analysis or on mass spectrometry. A Series of comparative studies of specific cellular systems, any reference quantified by comparison with a QCAT would not only be quantified individually, but should also be sufficient be dramatic that when the records grow, either pairwise Comparison robust and transferable between individual laboratories and stable over the time would be.
Es sollte möglich sein, die Neigung der Peptide zu ionisieren, zu berücksichtigen, und ein gutes Signal in dem Massenspektrometer zu erzeugen. Zur Zeit werden die Ionenintensitäten nicht erschöpfend in der Analyse von Massenspektren verwendet, obwohl es einige kürzliche Versuche gab, eine Intensität unter Verwendung von wissensbasierten Ansätzen vorherzusagen (Krause, Anal Chem 71 (1999), 4160-4165; Gay, Proteomics 2 (2002), 1374-1391; Baumgart, Rapid Commun Mass Spectrom 18 (2004), 863-868).It should possible be to ionize the tendency of the peptides to take into account and to generate a good signal in the mass spectrometer. to Time will be the ion intensities not exhaustive used in the analysis of mass spectra, although there are some recent There was an intensity using knowledge-based approaches (Krause, Anal Chem 71 (1999), 4160-4165; Gay, Proteomics 2 (2002), 1374-1391; Baumgart, Rapid Commun Mass Spectrom 18 (2004), 863-868).
Ein zusätzlicher Faktor, der in Betracht gezogen werden muss, ist die Wahl der Vorläufermarkierung. Während eine gleichmäßige Markierung mit [13C] oder [15N] sicherstellt, dass jedes Peptid umfangreich markiert wird, kann es vorteilhaft sein, Kopeptide derart auszuwählen, dass jedes dieselbe Aminosäure enthält, die anschließend als der stabile Isotop markierte Vorläufer verwendet wird. Weil von den meisten QCAT Proteinen angenommen würde, dass sie aus tryptischen Peptiden zusammengesetzt sind, würde eine Strategie des Einbaus von [13C6]-Lysin und [13C6]-Arginin ebenfalls sicherstellen, dass die meisten Q-Peptide einfach markiert wären, und dass die Massendifferenz zwischen den schweren und leichten Peptiden bei konstant 6 Da läge. Darüber hinaus könnte ein unmarkiertes QCAT in vitro unter Verwendung von Reagenzien markiert werden, die für die vergleichende Proteomik befürwortet werden, was alle diese Technologien für die absolute Quantifizierung verbessert.An additional factor to consider is the choice of precursor label. While uniform labeling with [ 13 C] or [ 15 N] ensures that each peptide is extensively labeled, it may be advantageous to select copeptides such that each contains the same amino acid that is subsequently used as the stable isotope-labeled precursor. Because most QCAT proteins are thought to be composed of tryptic peptides, one strategy would be one For example, [ 13 C 6 ] lysine and [ 13 C 6 ] arginine also ensure that most Q peptides are simply labeled, and that the mass difference between the heavy and light peptides is constant at 6 Da. In addition, unlabelled QCAT could be labeled in vitro using reagents that are favored for comparative proteomics, which enhances all of these technologies for absolute quantification.
Ohne durch irgendeine bestimmte Theorie gebunden zu sein, glauben die Erfinder, dass die Zahl der Kopeptide, die in einem einzelnen QCAT zusammengesetzt werden könnten, durch die Fähigkeit begrenzt ist, eine heterologe Expression gro ßer Proteine in einer großen Menge zu erreichen. in dem hier angegebenen Beispiel wählten die Erfinder 20 Peptide mit einer durchschnittlichen Menge von 15 Aminosäuren und einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 1,5 kDa. Wenn 100 Proteine in einem einzelnen QCAT repräsentiert wären, wäre das resultierende rekombinante Protein 150 kDa groß, das sich einfach exprimieren lassen sollte. Das vollständige Hefeproteom, aus ungefähr 6000 Proteinen, könnte dann innerhalb von ungefähr 60 QCAT Konstrukten definiert werden.Without to be bound by any particular theory, they believe Inventor that the number of kopeptides present in a single QCAT could be assembled through the ability is limited, heterologous expression of large proteins in a large amount to reach. In the example given here, the inventors chose 20 peptides with an average amount of 15 amino acids and an average Molecular weight of 1.5 kDa. If 100 proteins in a single QCAT would be the result recombinant protein 150 kDa in size that express easily should let. The whole Yeast proteome, from about 6000 proteins, could then within about 60 QCAT constructs are defined.
Die Möglichkeit bis zu 100 Proteine in einem einzigen Konstrukt zu quantifizieren, stellt die Herausforderung des optimalen Zusammenbaus von individuellen Q-Peptiden in QCATs. Verschiedene Kriterien sind vorstellbar. Zuerst würde eine Gruppe von Q-Peptiden die absolute Quantifizierung einer bestimmten subzellulären Fraktion oder eines spezifischen Untersatzes von Proteinen, zum Beispiel Transkriptionsfaktoren oder Proteinkinasen, erlauben. Zweitens, und vielleicht noch wichtiger, könnte die Konkatamerisierung durch die Abundanz der Zielproteine in der Zelle gesteuert sein. Es wäre schwierig, zwei verschiedene Proteine mit sehr verschiedenen Expressionsmengen in demselben QCAT Experiment zu quantifizieren, und es mag bevorzugt sein, stark abundante Proteine in einem Konstrukt, das sich von jenem unterscheidet, das niedrig abundante Proteine kodiert, zusammenzusetzen.The possibility to quantify up to 100 proteins in a single construct, represents the challenge of optimal assembly of individual Q peptides in QCATs. Various criteria are conceivable. First, one would Group of Q peptides the absolute quantification of a given subcellular Fraction or a specific subset of proteins, for For example, transcription factors or protein kinases. Secondly, and perhaps more importantly, could the concatamerization by the abundance of the target proteins in the Be controlled by a cell. It would be difficult, two different proteins with very different expression levels to quantify in the same QCAT experiment and it may be preferable strongly abundant proteins in a construct that is different from that which encodes low abundant proteins.
Andere Anwendungen für QCATs sind einfach vorstellbar, insbesondere in den breiten Bereichen der klinischen Biologie und Toxikologie und Diagnostik. Die absolute Quantifizierung wird eine neue Dimension zu den vorhersagbaren Analysewerten in klinischen und anderen Biomarkerüberwachungssystemen hinzufügen, und sie wird absolut die stöchiometrischen Verhältnisse von einzelnen Proteinen innerhalb eines subzellulären Kompartiments oder eines Multiproteinkomplexes definieren.Other Applications for QCATs are easy to imagine, especially in the broad areas clinical biology and toxicology and diagnostics. The absolute Quantification becomes a new dimension to the predictable analysis values in clinical and other biomarker monitoring systems, and she becomes absolutely stoichiometric conditions of individual proteins within a subcellular compartment or a multiprotein complex.
Material und Methodenmaterial and methods
Materialien.Materials.
[15N]H4Cl (99% Atomprozentüberschuss) wurde von CK Gas Products Ltd., Hampshire, UK bereitgestellt. Die meisten Reagenzien, außer sie sind hier aufgelistet, wurden zuvor beschrieben (Doherty, Proteomics 4 (2004) 2082-2093; Pratt, Proteomics 2 (2002), 157-160). Hühner (Schicht, Hi-Sex Braun) Skelettmuskelproteine wurden aus 1 und 27 Tagen alten Hühnern als ein 20.000 g Überstand eines 10% (w/v) Homogenats hergestellt (Doherty, Proteomics 4 (2004) 2082-2093; Doherty, Proteomics 5 (2005) 5, 522-533).[ 15 N] H 4 Cl (99% atomic percent excess) was provided by CK Gas Products Ltd., Hampshire, UK. Most of the reagents, unless listed here, have previously been described (Doherty, Proteomics 4 (2004) 2082-2093, Pratt, Proteomics 2 (2002), 157-160). Chickens (Layer, Hi-Sex Brown) Skeletal muscle proteins were prepared from 1 and 27 day old chickens as a 20,000 g supernatant of a 10% (w / v) homogenate (Doherty, Proteomics 4 (2004) 2082-2093; Doherty, Proteomics 5 (1989); 2005) 5, 522-533).
QCAT Gen Gestaltung und Konstruktion.QCAT gene design and construction.
Die Q-Peptide wurden hinsichtlich der Einzigartigkeit von der Masse, der Neigung zu ionisieren und der Nachweisbarkeit in der Massenspektrometrie, der Anwesenheit von spezifischen Aminosäureresten (zum Beispiel Leucin oder Valin), der Abwesenheit von anderen Aminosäureresten (Cystein, Histidin, Methionin) ausgewählt. Die Peptidsequenzen wurden anschließend zufällig in silico konkatamerisiert und verwendet, um die Gestaltung eines Gens zu steuern, und für die Expression in E. coli Kodonoptimiert. Das vorhergesagte Transkript wurde hinsichtlich RNA Sekundärstruktur analysiert, welche die Expression verringern könnte, und falls diese anwesend war, wurde die Reihenfolge der Peptide verändert. N- und C-terminale Sequenzen wurden als Rettungsstrukturen hinzugefügt, welche den Zusammenbau der tatsächlichen Q-Peptide vor dem exoproteolytischen Angriff während der Expression schützen. Zusätzliche Peptidsequenzen wurden hinzugefügt, um ein Initiatormethionin und einen C-terminalen Cysteinrest für die Quantifizierung bereitzustellen. Das künstliche Gen wurde de novo (von der Entelechon GmbH, Deutschland) aus einer Reihe von überlappenden Oligonukleotiden synthetisiert, durch DNA Sequenzierung verifiziert und in die NdeI und HindIII Stellen des pET21a Expressionsvektors ligiert, um das QCAT Peptid, pET21a QCAT, zu erhalten. Eine His6 Reinigungsmarkierung wurde durch Fusion mit dem Vektor bereitgestellt.The Q peptides were selected for uniqueness of mass, tendency to ionize and detectability in mass spectrometry, the presence of specific amino acid residues (for example, leucine or valine), the absence of other amino acid residues (cysteine, histidine, methionine). The peptide sequences were then randomly catalysed in silico and used to direct the design of a gene and codon optimized for expression in E. coli. The predicted transcript was analyzed for RNA secondary structure, which could reduce expression, and if present, the order of the peptides was changed. N- and C-terminal sequences have been added as rescue structures that protect the assembly of actual Q-peptides from exoproteolytic attack during expression. Additional peptide sequences were added to provide an initiator methionine and a C-terminal cysteine residue for quantification. The artificial gene was synthesized de novo (from Entelechon GmbH, Germany) from a series of overlapping oligonucleotides, verified by DNA sequencing, and ligated into the NdeI and HindIII sites of the pET21a expression vector to obtain the QCAT peptide, pET21a QCAT. A His 6 purification label was provided by fusion with the vector.
QCAT Gen Expression und Markierung mit 15N.QCAT gene expression and labeling with 15 N.
Das QCAT Plasmid, pET21a QCAT, wurde verwendet, um NovaBlue (DE3) (K-12 endA1, hsdR17(rK12 –mK12 +) supE44, thi-1, recA1, gyrA9, relA1, lac, F'[proA+B+, lac/qZM15::Tn10(TcR)] Zellen mit Ampicillin Resistenz zu transformieren. Die Zellen wurden bei 37°C in Luria Broth, 100 μg/ml Ampicillin auf eine OD600 von 0,4–0,6 angezogen, und IPTG wurde zu 1 mM hinzugefügt. Die Inkubation wurde für weitere fünf Stunden fortgesetzt, als die Zellen durch Zentrifugation (5000 g, 4 min., 4°C) pelletiert, in 10 ml 20 mM Tris/HCl Puffer, pH 8,0 resuspendiert wurden, und Lysozym wurde für zehn Minuten bei Raumtemperatur zugegeben (100 μg/ml). Die Zellen wurden anschließend auf Eis sonifiziert (drei Beschallungen von 30 s) und bei 14.000 g für 10 min zentrifugiert. Die Pellets und die Überstände von induzierten und nicht induzierten Kulturen wurden durch 12,5% (w/v) SDS PAGE/Coomassie Blaufärbung analysiert. Für die 15N Markierung wurden die Zellen in M9 Minimalmedium angezogen, das unter Verwendung von [15N]H4Cl (20 mM) hergestellt wurde, und sie wurden induziert und verarbeitet wie oben angegeben.The QCAT plasmid, pET21a QCAT, was used to NovaBlue (DE3) (K12 endA1, hsdR17 (r K12 - K12 m +) supE44, thi-1, recA1, gyrA9, relA1, lac, F '[proA + B + , lac / q ZM15 :: Tn10 (Tc R )] cells to transform with ampicillin resistance The cells were grown at 37 ° C in Luria broth, 100 μg / ml ampicillin to an OD 600 of 0.4-0.6 and IPTG was added to 1 mM Incubation was continued for an additional five hours when cells were pelleted by centrifugation (5000 g, 4 min, 4 ° C) in 10 ml of 20 mM Tris / HCl buffer, pH 8. The cells were then sonicated (three sonicates of 30 s) on ice and centrifuged at 14,000 g for 10 min., The pellets and the supernatants of induced. Were resuspended and lysozyme was added for ten minutes at room temperature (100 μg / ml) and non-induced cultures were analyzed by 12.5% (w / v) SDS PAGE / Coomassie blue staining For 15 N labeling, cells were grown in M9 minimal medium which was prepared using [ 15 N] H 4 Cl (20 mM) and were induced and processed as indicated above.
Reinigung und Analyse des QCAT Proteins.Purification and analysis of the QCAT protein.
Die Pellets von den beschallten Zellen wurden in 20 mM Phosphatpuffer (pH 7,5) enthaltend 20 mM Imidazol und 8 M Harnstoffe (Puffer A) gelöst, bevor sie auf eine NiNTA Säule (GE Healthcare) aufgetragen wurden. Nach dem Waschen mit 10 Säulenvolumina desselben Puffers wurde das gebundene Material mit Puffer A mit einer steigenden Konzentration von Imidazol (500 mM) eluiert. Dieses Material wurde auf Sephadex G25 "Zentrifugationssäulen" entsalzt, und die Masse des eluierten Proteins wurde durch Elektrospray Ionisierungsmassenspektrometrie unter Verwendung eines Waters-Micromass Q-ToF Mikromassenspektrometers bestimmt. Die Massenspektren wurden unter Verwendung des MaxEnt I Algorithmus verarbeitet. Das gereinigte entsalzte Protein wurde mit Trypsin gespalten, und die resultierenden Proteine wurden unter Verwendung eines Waters-Micromass MALDI-TOF Massenspektrometers massenbestimmt (Doherty, Proteomics 4 (2004) 2082-2093). Um das Antwortverhältnis von schweren und leichten Varianten des QCAT zu bestimmen, wurden die gereinigten "schweren" und "leichten" Proteine in verschiedenen Verhältnissen vor der Spaltung mit Trypsin und der MALDI-TOF Massenspektrometrie gemischt. Die Intensitäten der [14N]- und [15N]-Peptide wurden auf Schwerpunktspektren gemessen.The pellets from the sonicated cells were dissolved in 20 mM phosphate buffer (pH 7.5) containing 20 mM imidazole and 8 M ureas (buffer A) before being applied to a NiNTA column (GE Healthcare). After washing with 10 column volumes of the same buffer, the bound material was eluted with buffer A with increasing concentration of imidazole (500 mM). This material was desalted on Sephadex G25 "spin columns" and the mass of eluted protein was determined by electrospray ionization mass spectrometry using a Waters-Micromass Q-ToF micromass spectrometer. The mass spectra were processed using the MaxEnt I algorithm. The purified desalted protein was cleaved with trypsin and the resulting proteins were mass determined using a Waters-Micromass MALDI-TOF mass spectrometer (Doherty, Proteomics 4 (2004) 2082-2093). To determine the response of heavy and light variants of the QCAT, the purified "heavy" and "light" proteins were mixed in different proportions before cleavage with trypsin and MALDI-TOF mass spectrometry. The intensities of the [ 14 N] and [ 15 N] peptides were measured on centroid spectra.
Verwendung des QCAT, um die Muskelproteinexpression zu quantifizieren.Use of QCAT to muscle protein expression to quantify.
Die Überstandfraktion, die lösliche Proteine vom Huhn enthielt, die aus 100 mg Gewebe stammten, wurden mit 290 μg [15N] QCAT gemischt, durch Proteinassay quantifiziert und mit Trypsin über Nacht gespalten – das QCAT wurde mit einer größeren Rate bzw. Geschwindigkeit gespalten als endogene Muskelproteine (Er gebnisse nicht gezeigt). Das Experiment wurde für drei Tiere zu jedem Zeitpunkt wiederholt. Anschließend wurden die [14N]-(Muskel) und [15N]-(QCAT) Peptide durch die Masse identifiziert, und ihre relativen Intensitäten wurden durch MALDI-TOF Massenspektrometrie bestimmt.The supernatant fraction containing chicken soluble proteins derived from 100 mg of tissue was mixed with 290 μg [ 15 N] QCAT, quantified by protein assay, and cleaved overnight with trypsin - the QCAT was cleaved at a greater rate endogenous muscle proteins (results not shown). The experiment was repeated for three animals at each time point. Subsequently, the [ 14 N] (muscle) and [ 15 N] (QCAT) peptides were identified by mass, and their relative intensities were determined by MALDI-TOF mass spectrometry.
Massenspektrometrische Analyse.Mass spectrometric analysis.
Die Analyse in diesem Beispiel wurde unter Verwendung eines MALDI-TOF Massenspektrometers durchgeführt, aber dieses Verfahren ist genauso auf alle anderen massenspektrometrischen Verfahren anwendbar, die für die Analyse von Peptiden geeignet sind.The Analysis in this example was made using a MALDI-TOF Mass spectrometer performed, but this procedure is just as applicable to all other mass spectrometry Method applicable to the analysis of peptides are suitable.
Literaturzitatereferences
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